基于OpenGL和MFC的三維建模教學實踐與改革*

張志華 ，程耀東 ，張新秀

（1.蘭州交通大學 測繪與地理信息學院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070）

可視化編程技術已經廣泛應用在各行各業中[1-4]，對于地理信息系統專業學生也必須緊跟時代潮流，將可視化程序設計掌握并運用到實踐學習中去。本校將OpenGL三維可視化程序設計作為一門必修課程列入教學計劃中。如何培養學生學習本專業圖形的生成算法及顯示流程，如何利用VC與OpenGL結合進行學生程序開發能力的培養，并在有限的學時條件下，達到理想的教學目標，不是一件易事。

1 OpenGL教學中存在的問題

1.1 VC++平臺環境不熟悉

傳統的教學平臺選擇VC++控制臺應用程序作為演示平臺，該平臺程序設計簡單，易于理解，適合有C語言功底的學生學習。但該平臺可視化演示效果差，針對復雜的地理場景顯示顯得不夠寬泛，缺乏可操作性，人機交互能力有限，教學實踐環節不夠科學，不夠系統[5]。

1.2 OpenGL庫函數眾多，難于掌握

OpenGL核心庫中包含 115個函數（前綴為 gl），實用庫中包含 43個函數（前綴 glu），輔助庫中包含 31個函數（前綴 aux），工具庫中包含 30多個函數（前綴 glut）[2]。每個庫中的函數都有很多的重載形式，這往往將需要掌握的庫函數加倍，在有限的課堂教學時間內，想要掌握OpenGL庫中的眾多函數，會顯得力不從心。從而打擊學生的學習興趣，不利于教學。

1.3 部分關鍵函數參數個數多，不易理解

OpenGL的很多庫函數所攜帶的參數往往有很多，且不易掌握。例如，投影函數 glFrustum（GLdouble left，GLdouble Right，GLdouble bottom，GLdouble top，GLdouble near，GLdouble far）帶有 6個參數，如果不配合圖解，很難讓學生理解并掌握它的使用。再比如二維紋理定義的函數 void glTexImage2D（GLenum target，GLint level，GLint components，GLsizei width，glsizei height，GLint border，GLenum format，GLenum type，const GLvoid*pixels）， 相 對于投影函數來說，二維紋理定義函數就顯得更加復雜，直接講解，難以理解其參數含義，不易掌握，從而產生畏難負面效應，不利于學生學習。

1.4 教學缺乏應用背景，學習積極性不高

從學生的角度出發，學生們只會根據教學內容進行編程，缺乏對相關函數與算法的直觀展示，不能有效地吸引學生主動去學習。再者，大多數同學不重視三維圖形可視化方面的學習，他們認為將來工作不會涉及關于三維圖形設計方面的內容，從而學習積極性不高，缺乏學習的主動性[4]。

2 教學方法改革與改進

2.1 選用MFC作為開發與講解框架

通常情況下，OpenGL以及計算機圖形學方面的教學都采用C/C++語言編寫，程序設計簡單，但可視化以及人機交互效果較差，學生掌握起來較困難。MFC（微軟基礎類庫）是VC++平臺下程序開發框架，該框架可以構建基于對話框的應用程序、基于單文檔的應用程序以及基于多文檔的應用程序，通過使用MFC框架下的諸多可視化控件進行編程，可以迅速建立界面美觀、通俗易懂、便于交互操作的程序框架，其典型的消息事件驅動模式[6-7]，如菜單消息映射、基本控件消息映射（按鈕等），增加了人機交互操作，提升學生的學習興趣，大大提高學生的動手能力，通過不斷的探索人機交互操作，增進學習效率。

2.2 加強上機實踐輔導

OpenGL與MFC進行三維圖形可視化程序設計，除去課堂教學外，應將大量的教學學時應用在上機實踐環節上，通過布置相關的圖形演示程序及圖形顯示算法，一方面培養學生熟悉VC++編程環境，熟悉MFC與OpenGL如何聯合進行程序開發；另一方面，通過推敲相關代碼，培養學生的實踐動手能力。

2.3 引用實例進行課堂教學

課前搜索一些與本節課程有關的應用實例，如三維立體動畫、相關三維建模可視化軟件等[8]，在具體講解過程中，引入實例，既能提高學生們的學習興趣，又幫助他們提高對本節課的內容理解。如打開Google SketchUp三維建模軟件，在其中演示物體的繪制、物體的平移、旋轉、縮放等操作，幫助他們學習glVertex（）、glTranslate（）、glRotate（）等函數，并理解函數所帶參數的意義，啟發學生們去思考。

2.4 制作教學課件及相應的演示程序

由于計算機軟硬件的飛速發展，傳統的板書式教學已經向多媒體教學方向發展，而OpenGL教學又與計算機程序相關聯，更加體現出多媒體教學的優越性，圖形顯示直觀、易懂，符合學生們的好奇心理。將OpenGL講解內容按前后章節，利用powerpoint制作出精美的教學課件，并配以程序演示，從很大程度上吸引學生的注意力，并且，課件后附具體的作業，將其拷貝給每一位學生，在課后業余時間依然可以隨時打開課件內容學習，為學好OpenGL提供便利。

2.5 采用教學互動，提高學生的空間想象能力與語言表達

在一段學時的課堂教學完成后，布置一次大作業，要求學生們基于MFC框架，自由發揮，對現實世界的感興趣物體進行三維建模，要求寫出具體的程序代碼、建模思路及主要用到的OpenGL函數，并制作PPT在課堂上進行教學互動，這無形中提高了教學質量，達到了良好的教學目的。同時，在編寫代碼時，提高學生的空間想象力與邏輯思維能力，在教學互動中，又能培養其語言表達能力。

3 基于MFC的教學演示程序

為幫助C++功底較淺的學生學習，將基礎的MFC與OpenGL程序框架搭建好，供日后學生自己向其中添加OpenGL建模代碼，并基于此編寫所有圖形顯示程序。以投影變換為例，圖1為教學演示投影函數詳解，圖中可以直觀展示glFrustum函數透視投影場景的效果及各參數的含義，右邊是該函數所攜帶的6個參數。根據圖解，學生們很容易就可以掌握這個函數的使用，圖2亦同理。

圖1 glFrustum函數控件示例

圖2 gluPerspective函數控件示例

再以圖3為例，在顏色教學過程中，用到了MFC中滑塊、滾動條、旋鈕、編輯框等控件，通過三色分量RGB的任意取值，在右邊的顯示框中，動態顯示當前取值顏色，一方面使學生們熟悉MFC常用控件的使用，另一方面，掌握OpenGL中有關顏色操作函數，將MFC與OpenGL的聯合更加深入易懂。

圖3 顏色對話框實例

學生們根據自己的興趣愛好就現實世界中的物體進行三維建模，如雨傘、鐘表、礦泉水瓶、樓梯、隧道等，圖4為學生基于MFC構建的一個三維礦泉水瓶模型，圖中有一個黃色的球狀光源，該光源可以圍繞礦泉水瓶進行旋轉，圖 4（a）至圖 4（c）分別是以頂點模式、線框模式和實體模式顯示的礦泉水瓶，該例表明學生已掌握場景投影、模型構建、光照及人機交互等相關函數及程序代碼。

圖4 學生隨機三維建模范例——礦泉水瓶

通過這樣一些教學改革，啟發學生進行創造性思維，在教學互動過程中，同學們都紛紛拿出自己所建的模型進行討論，達到了良好的教學效果。從改革教學方法、教學課件入手，利用實例吸引學生注意力，不斷提高本課程的教學質量。

[1]劉煜崗，蔡洪斌.《計算機圖形學》實驗教學研究與探討[J].實驗科學與技術，2012，10（6）：262-264.

[2]RICHARD S.WRIGHT，J R.Benjamin Lipchak Nicholas haemel， 張琪，付飛（譯）.OpenGL超級寶典[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[3]BO CHEN，HARRY H.Cheng.Interpretive OpenGL for Computer Graphics[J].COMPUTERS&GRAPHICS， 2005，29：331-339.

[4]楊斌.OpenGL在計算機圖形學教學中的應用研究[J].滁州學院學報，2012，14（5）：105-107.

[5]張燦.基于OpenGL實驗平臺的計算機圖形學教學改革研究[J].電腦知識與技術，2012，8（32）：7826-7827.

[6]賀少華，吳新躍.基于 VC++和 OpenGL的大型機械裝置虛擬教學訓練系統的開發[J].系統仿真學報，2009，21（4）：1059-1062.

[7]黃燕挺.三維控件在教學實驗中的應用研究[J].計算機與數字工程，2011，39（8）：192-195.

[8]楊長強，鄭永果.“計算機圖形學”教改實踐[J].計算機教育，2010（24）：53-56.